导热系数的测定方法

导热系数的测定方法导热系数的测量方法导热系数（又称热导率）是反映材料热传导性质的物理量，表示材料导热能力的大小。某种材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且还与它的微观结构、温度、压力及杂质含量有关。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。不稳定温度场:温度场内如果各点温度随时间而改变稳定温度场:温度不随时间而改变等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面。因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。t1t2t1t2等温面Q温度场t+tt-ttnQdA温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个向量。方向垂直于该点所在等温面，以温度增的方向为正温度梯度：温度场中，某一点等温面法线方向上的温度变化率。λ---导热率/导热系数，W/（m·K）或W/（m·℃）,越大，导热性能越好；A---导热面积，m2；dt/dx---负值(温度降低的方向)，K/m或℃/m）Q---导热速率，正值，W，J/s；傅立叶定律—热传导的基本定律傅立叶定律：单位时间内传导的热量Q与温度梯度dt/dx及垂直于热量方向的导热面积A成正比。即：Q=-λAdt/dx式中加负号--热流方向与温度梯度的方向相反。导热率（导热系数）dxdtAQdxdtAQ由傅立叶定律影响λ的因素很多，主要是物质的种类(固、液、气)和温度。λ—当温度梯度为1时，单位时间内通过单位导热面积的热量。λ的大小表征物质的导热能力，是物质的一个重要的物性参数(和ρ，λ，μ一样).c.金属的纯度对导热系数影响很大如：含碳为1%的普通碳钢的导热系数为45W/m·K，不锈钢的导热系数仅为15W/m·K。a.在所有固体中，金属是最好的导热体。1.固体的导热系数δ.一般，T↑，λ纯金属↓表4-1常用固体材料的导热系数固体温度，℃导热系数，λ(W/m·K)铝300230铜100377熟铁1861铸铁5348银100412钢(1%C)1845不锈钢2016石墨0151石棉板500.17石棉0～1000.15耐火砖1.04保温砖0～1000.12～0.21建筑砖200.69绒毛毯0～1000.047棉毛300.050玻璃301.09软木300.043最大金属液体－导热系数λ较高液体非金属液体－导热系数λ较低c.一般来说，λ溶液λ纯液体。a.在非金属液体中，水的导热系数最大。2.液体的导热系数δ.绝大多数液体（除水和甘油）：T↑，λ液↓表4-2液体的导热系数液体温度，℃导热系数，λW/m·K醋酸50%200.35苯300.16氯化钙盐水30%300.55乙醇80%200.24甘油60%200.38甘油40%200.45正庚烷300.14水银288.36硫酸90%300.36硫酸60%300.43水300.62最大δ.在通常的压力范围内,其导热系数随压力变化很小.c.气体的导热系数很小,故对导热不利,但对保温有利。3.气体的导热系数a.通常，T↑，λ气↓在压力大于200MPa时p↑，λ气↑压力小于2.7kPa(20mmHg)时故工程计算中常可忽略压力对气体导热系数的影响。表4-3气体的导热系数气体温度，℃导热系数,λW/m·K氢00.17二氧化碳00.015空气00.024空气1000.031甲烷00.029水蒸汽1000.025氮00.024乙烯00.017氧00.024乙烷00.018最大总体：λ固＞λ液＞λ气4.绝热材料的导热率λ绝热材料:与温度、湿度、组成及结构的紧密程度有关。特点：纤维状，多孔结构----孔隙空气λ小ρ小，空气多----密度小到一定值，孔隙尺寸越长，空气对流和热辐射传热作用增强，λ增大。所以，存在最佳密度，使λ最小。吸水---λ增大，保温性能变差，所以，要防水。λ—物质在温度为t℃时的导热系数，W/m·℃；大多数均质的材料，其导热系数与温度近似成直线关系，可用下式表示λ=λ0(1+at)a—温度系数，对大多数金属材料为负值，而对大多数非金属为正值，1/℃。λ0—物质在0℃时的导热系数，W/m·℃；稳态法平板法热流计法非稳态法瞬态热线法瞬态平面热源法探针法激光法3ω法0731-58523384Qq:327870170tel:[phone]导热系数的测量方法稳态法1.通过平壁的稳定热传导1.1通过单层平壁的稳定热传导假设：(1)A大，δ小；(2)材料均匀—λ为常数；(3)温度仅沿x变化，且不随时间变化。t1t2δtxdxQxQx+dx则：当x=0时，t=t1x=δ时，t=t2若平壁侧面的温度t1及t2恒定，——边界条件根据傅立叶定律dxdtAQdxAQdtttδ021)(δ21ttAQ分离变量后积分（设不随t而变）得或AttQδ)(21)(δ21ttAQq式中Q─热流量或传热速率，W或J/s；A─平壁的面积，m2；δ─平壁的厚度，m；─平壁的导热系数，W/(m·℃)；t1,t2─平壁两侧的温度，℃。【讨论】：QtR推动力热阻ttt()12ARδ1．可表示为推动力：热阻：例1-1现有一厚度为240mm的砖壁，内壁温度为600℃，外壁温度为150℃。试求通过每平方米砖壁的热量。已知该温度范围内砖壁的平均导热系数λ=0.6W/m·℃。)(δ21ttAQ)(δ21ttAQq=0.60×(600-150)/0.24=1125W/m2解：球体法实验仪器球壁导热仪适用材料用于测定粉状、颗粒状、纤维状干燥材料在不同填充密度下的导热系数圆球法测定绝热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基础。在球坐标中，考虑到温度仅随半径r而变，故是一维稳定温度场导热。实验时，在直径为d1和d2的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填充被测材料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外壁面温度分别恒为t1和t2。根据这种状态，可以推导出导热系数λ的计算公式。根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系：（44-1）式中：Q──单位时间内通过球面的热流量，W；λ──绝热材料的导热系数，W/m·℃；dt/dx—温度梯度，℃/m；A──球面面积，A=4πr2，m2。对（44-1）式进行分离变量，并根据上述条件取定积分得（44-2）Q=-λAdt/dxdxdtAQdxdtAQ假定导热系数λ为常数，在圆筒壁的内半径r1和外半径r2间进行积分分离变量得移项，得dtlrdrQ2dtlrdrQttrr21212)(2ln2112ttlrrQ1221ln)(2rrttlQdrdtrldxdtAQ2rdrr2t1r1dtt2t图4-11单层平壁稳态热传导Qddttdd()()2112122其中：r1、r2分别为内球外半径和外球内半径。积分得：（44-3）其中：Q为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出所测隔热材料的导热系数。事实上，由于给出的λ是隔热材料在平均温度tm=（t1+t2）/2时的导热系数。因此，在实验中只要保持温度场稳定，测出球径d1和d2，热量Q以及内外球面温度即可计算出平均温度tm下隔热材料的导热系数。改变t1和t2，则可得到导热系数与温度关系的曲线。1.球壁导热仪实验装置图如44–1所示。主要部件是两个铜制同心球壳1、2，球壳之间均匀填充被测隔热材料，内壳中装有电热丝绕成的球形电炉加热器3.2.热电偶测温系统铜—康铜热电偶二支（测外壳壁温度），镍铬—镍铝热电偶两支（测内壳壁温度）；均焊接在壳壁上。通过转换开关将热电偶信号传递到电位差计，由电位差计检测出内外壁温度。3.电加热系统外界电源通过稳压器后输出稳压电源，经调压器供给球形电炉加热器一个恒定的功率。用电流表和电压表分别测量通过加热器的电流和电压。图44-1球壁导热仪实验装置1.内球壳2.外球壳3.电加热器4.热电偶热端5.转换开关6.热电偶冷端7.电位差计8.调压器9.电压表10.电流表11.绝热材料1.将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹层之中。2.按图44-1安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。检查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约3～4小时）。3.用温度计测出热电偶冷端的温度t0。4.每间隔5～10分钟测定一组温度数据（内上、内下、外上、外下）。读数应保证各相应点的温度不随时间变化（实验中以电位差计显示变化小于0.02mv为准），温度达到稳定状态时再记录。共测试3组，取其平均值。5.测定并绘制绝热材料的导热系数和温度之间的关系6.关闭电源，结束实验。